（信号与信息处理专业论文）基于准直激光的路面回弹弯沉检测技术研究.pdf

摘要 随着我国高等级公路建设的快速发展，路面质量检测和养护工作也越来越受到重 视。弯沉是路面检测的重要指标之一，如何快速、客观、准确的检测路面弯沉值，对我 国的公路路面检测和养护管理工作具有非常重要的意义。 本文通过对国内外的弯沉检测技术现状的分析比较，鉴于贝克曼梁弯沉检测在我国 公路中必备性和基础性，将激光技术应用于贝克曼梁弯沉仪的检测，采用线阵c c d 设计 了基于准直激光束的路面回弹弯沉检测系统。本文结合t c d l 5 0 1 d 线阵c c d ，分析和研 究了基于准直激光的路面回弹弯沉检测系统的关键技术。本文主要进行了如下研究： 1 、通过对激光技术的研究分析，首次提出了基于准直激光的路面回弹弯沉检测原 理，设计了基于准直激光的路面回弹弯沉弯沉检测系统。 2 、对线阵c c d 的结构和工作原理进行了分析和研究，采用v h d l 语言进行了线阵 c c d 驱动时序设计，并进行了时序仿真和验证。 3 、完成了c c d 输出信号的放大、滤波和二值化的信号采集电路设计，保证了信号 精确采集。 4 、采用的a v r 单片机作为系统的主控芯片完成了单片机主控电路和r s 2 3 2 串口通 信的设计。 5 、实验验证了基于准直激光的路面弯沉检测法的可行性，为进一步研究开发激光 路面回弹弯沉检测系统奠定了基础。 关键词：高速公路，激光检测，回弹弯沉，c c d a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h en a t i o n a l h i g h w a yc o n s t r u c t i o n ，i n c r e a s i n g l y i m p o r t a n c eh a sb e e na t t a c h e dt ot h eq u a l i t yd e t e c t i o na n dm a i n t e n a n c ew o r ko nt h eh i g h w a y s u r f a c e d e f l e c t i o ni so n eo ft h ei m p o r t a n ti n d e x e so fr o a ds u r f a c ed e t e c t i o n t oi n s p e c tt h e d e f l e c t i o nv a l u eq u i c k l y , o b j e c t i v e l ya n da c c u r a t e l yi sv a l u a b l et ot h ej o bo fh i g h w a ys u r f a c e q u a l i t yd e t e c t i o na n dm a i n t e n a n c em a n a g e m e n t t h i sp a p e rc o m p a r e sa n da n a l y z e st h ec o n t e m p o r a r yt e c h n i q u eo fd e f l e c t i o nd e t e c t i o n h o m ea n da b r o a d b e n k e l m a nb e a md e t e c t i o ni se s s e n t i a la n db a s i ct oc h i n e s eh i g h w a y t h e p a p e ra p p l i e sl a s e rt e c h n o l o g yt ob e c k m a nb e a md e f l e c t i o nm e t e rd e t e c t i o n , a n dd e s i g n st h e c o l l e t i n gs y s t e ma b o u tr e b o u n dd e f l e c t i o nv a l u eu s i n g l i n e rc c d ，a n ds t u d i e st h ek e y t e c h n i q u ea b o u th i 曲s p e e dl i n ea r r a yc c di m a g ec o l l e c t i n gs y s t e mc o m b i n gv v i t ht h e t c d15 01dl i n e rc c d t h ep a p e rs t u d i e ss e v e r a li t e m sa sf o l l o w s ： 1 t h ep a p e rf i r s t l yp r o p o s e sr o a ds u r f a c er e b o u n dd e f l e c t i o np r i n c i p l eb a s e do nt h e c o l l i m a t i o nl a s e rb e a m sa c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i so fl a s e rt e c h n o l o g y , a n dd e s i g n st h e a c q u i s i t i o ns y s t e ma b o u tr e b o u n dd e f l e c t i o n 2 t h ep a p e ra n a l y z e sa n ds t u d i e st h ew o r k i n gm e c h a n i s ma n ds t r u c t u r eo fl i n ea r r a y c c db a s e do na m p l em a t e r i a la b o u ti m a g es e n s o r s i ta l s om a k e sd r i v e rt i m i n gd e s i g n i n g u s i n gv h d ll a n g u a g e ，t i m i n gs i m u l a t i o na n d v e r i f i c a t i o n 3 t h ec i r c u i td e s i g n so fa m p l i f y i n g ，f i l t e r i n ga n db i n a r y z a t i o ni nd a t aa c q u i s i t i o nf r o m c c d ，w h i c hg u a r a n t e eo u ra c c u r a c yo fs i g n a la c q u i s i t i o n ，a lea c c o m p l i s h e d 4 t h em a i nc o n t r o lc i r c u i to fs c ma n dr s - 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o na r ed e s i g n e db y u s i n gt h ea v rs c m a st h em a i n l yc o n t r o l l e dc h i p 5 t h ef e a s i b i l i t yo ft h er o a ds u r f a c er e b o u n dd e f l e c t i o np r i n c i p l eb a s e do nt h e c o l l i m a t i o nl a s e rb e a m si sp r o v e dt ob et r u et h r o u g ht h ec o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t s ，w h i c hl a y s as o l i df o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ha b o u td e v e l o p i n gr o a ds u r f a c er e b o u n dd e f l e c t i o n s y s t e mb a s e do nb e a m s k e y w o r d s ：e x p r e s s w a y , l a s e rd e t e c t i o n ，r e b o u n dd e f l e c t i o n , c c d n 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景和研究意义 第一章绪论弟一早三百t 匕 随着我国经济的持续高速增长，我国的交通建设也是在快速发展。在最近的二三 十年里，我国的高速公路建设突飞猛进，截止2 0 1 0 年，我国高速公路总里程达到6 5 万多千米。按照我国2 0 0 4 年公布的高速公路网发展规划，到2 0 2 0 年，基本建成国家 高速公路网。届时，我国高速公路通车总里程将达到9 万公里。新路网由7 条首都放 射线、9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线组成。 公路交通作为我国的一项基础设施，今后还将是我国经济和社会发展的一个重点。 随着公路网的运营，路面出现了一些毁坏路况，如沥青路面的不均匀沉陷、车辙、裂 缝、抗滑能力不足、平整度衰减过快等，水泥路面的表面和接缝破损、错台、裂缝、 沉陷等，致使路面在使用年限内服务水平急剧下降，这不仅严重影响公路的服务工能、 阻碍交通运输综合效益的发挥，而且增加交通事故的发生。高速公路一般使用年限为 3 0 年，从通车开始就要准备道路养护和维修。 在道路路基路面的建设及公路路面管理、养护过程中，快速、精确、真实而详尽 地对道路路路面平整度、车辙、构造深度、路面强度等质量指标的技术状况掌握，是 保证路基路面建设质量的前提，对提高运营公路经济效益和社会效益，对能够对已经 运营的公路进行及时且科学的养护维修，都有着相当重要的意义【1 】【2 】【3 1 1 4 1 。 目前，弯沉是国内外表征公路路基路面整体强度评价的重要指标，在公路建设、 竣工验收及路面养护管理中，必须进行弯沉的检测和评价【5 】【6 1 。随着我国高等级公路 建设事业的蓬勃发展，路面检测技术作为公路建设与管理中的基础性、关键性技术也 得到了极大的发展。路面弯沉的检测和分析是路面承载能力评价的基础，是路面使用 性能评定的重要组成部分，它不仅在检测和控制工程质量方面至关重要，还对公路网 络的科学化的养护决策，对资金合理分配和旧路的科学改造有着非常直接的影响【| 7 1 。 随着高速公路通车里程的不断增加，对公路状况的评价，养护工作必须有弯沉数据的 支持，在公路修建工程的设计和施工中，弯沉值是主要的控制指标，它可以充分体现 路面路基的强度分布情况，能够合理地评价路面的状况。公路施工质量进行监控、验 收，对运营公路的状况进行检测、评价中我们必须采用先进、快速、高精度的检测技 术，需要研究开发先进、快速的路面检测技术，这也是我国公路建设与管理养护的迫 第一章绪论 切需要。 路基路面的弯沉检测和合理评价，是对高等级公路路面养护检测和评价工作的重 要组成部分，因而为了正确指导公路建设和养护工作必须加大对路基路面检测技术的 研究。如何能够快速且十分准确地完成路面弯沉的检测和评价工作，是国内外许多的 公路研究机构和应用部门都非常重视且正在积极探索的一个问题。这些机构和部门开 展了大量的研究开发与应用工作，也获得了大量的科研成果。本论文将在已获得的弯 沉研究成果基础上，将激光检测技术应用于公路路面弯沉检测的理论方法和实现方法 开展进一步的研究，提高弯沉检测精度。 先进的、快速的、精度高的路面弯沉检测设备研究和开发，对公路路基路面的整 体强度评价有着非常重要的意义。首先它能够改变我国进行公路路面弯沉检测技术含 量较低、检测效率不高、检测精度差的现状，从而适应我国高等级公路建设快速发展 的需要，极大的减少了路面养护维修过程中所需的人力资源和检测使用的费用；其次 可以减少国内的检测单位和部门对于国外的路面检测技术及产品的依赖，节约了购买 国外昂贵产品的费用；加之国内自主开发的弯沉检测产品就是根据我国的实际情况和 有关标准规范中公路路面检测指标的要求进行研发的，它们不需要进行转化就能够直 接使用，所以使用国内产品十分便捷；再次可以改变我国公路现代化检测比较落后的 局面，进一步提高我国路面弯沉检测技术水平，对公路的运营和养护管理具有很强的 生产应用价值和重要的社会意义。因此我们必须以目前常用的弯沉测试方法为基础， 对激光快速检测技术在弯沉检测中的应用进行研究，为开发和设计基于激光测试技术 的弯沉检测仪奠定了基础。 1 2 国内外弯沉研究状况 近二十多年来，国际路面路基检测和评价技术发展十分迅速，总体而言，是从人 工检测到自动检测、从有损检测到无损检测，是检测技术和高新科技的结合，高精度 的传感器技术、机电一体化、光电技术、激光技术等现在都在被用于路面弯沉检测【1 0 】。 世界各国对弯沉检测装备选择应用和理论方法设计不尽相同，然而对于弯沉这个 概念的理解却是一样的。弯沉通常是指规定标准车的荷载作用在路基或路表面上时， 标准车后轮隙处所产生的总垂直变形值( 总弯沉) 或垂直回弹变形值( 回弹弯沉) ，基 本单位是o 0 1 m m 【l j l 8 jo 弯沉测试的目的是要测出路面在荷载作用下的垂直位移量，它 是反映路面结构性能重要指标，因而，路面弯沉检测技术的研究开发也一直被世界各 2 长安大学硕士学位论文 国公路系统广泛重视。 目前，现有弯沉检测方法可以分为静态路面弯沉检测方法和动态弯沉检测方法。 静态弯沉测试方法有贝克曼梁弯沉测试方法和自动弯沉仪测试方法；动态弯沉检测方 法有落锤式弯沉仪( f w d ) 测试方法，击振式弯沉仪测试方法，激光多普勒弯沉测试 方法等。 弯沉的测试方法有多种，世界各国测试弯沉的仪器、设备也有所不同。不同类型 的弯沉测试仪器设备，其技术原理不同，工作方式差别很大。弯沉检测最开始是利用 杠杆原理，通过横梁、百分表等简单工具进行人i n 量，这便是目前还在使用的贝克 曼梁弯沉仪。为了降低在弯沉检测过程中人工测试的劳动强度，提高检测的效率和增 加采样数据的准确性，英、法等国于2 0 世纪7 0 , - - - - 8 0 年代研制出了自动弯沉仪。自动弯 沉仪能自动测试弯沉，通过计算机对测量装置进行自动控制，从而减轻了工作人员的 劳动强度。随着对高等级公路路基路面结构设计和使用材料的不断研究发现，在结构 设计以及施工材料性能评价上，静态弯沉测试都存在一定范围的局限性。为得到更符 合实际结构设计和材料技术特性的动态弯沉，美国、丹麦、瑞典等国开发出了落锤弯 沉仪( f w d ) ，其通过位移传感器来对动态弯沉进行采集。随着世界各国高速公路大 量建成和投入使用，如何在能够安全作业且不影响正常交通的情况下进行路面弯沉检 测己成为亟待研究解决的一个重要课题。最近些年，丹麦、瑞典等欧洲国家的公路研 究机构已联合研究开发出高速动态弯沉检测装置，将先进的激光多普勒高科技技术应 用于弯沉检测，这是弯沉检测技术的巨大进步。就目前世界各国的弯沉测试而言，根 据实际的使用场合及测试目的不同，贝克曼梁弯沉仪、自动弯沉仪、落锤弯沉仪及激 光多普勒弯沉仪等，将分别承担不同的检测任务。 1 2 1 贝克曼梁弯沉仪测试 贝克曼梁弯沉仪是一种用于测试路面强度的仪器，在世界各国得到了广泛应用。 贝克曼梁弯沉仪属于固定采样，静态弯沉类，其使用时间最早，范围最广，技术要求 相对简单。贝克曼梁弯沉仪是通过简单的杠杆原理进行工作的，以支撑在表架上的百 分表读取测试梁后臂端点的位移，进而推算出前臂端点轮隙处的回弹弯沉值，测得结 果为测点静态弯沉的最大值口】【1 1 1 。在公路路基路面现场测试规程( j t ge 6 0 - - 2 0 0 8 ) 中对贝克曼梁测试的技术条件和操作规程有着明确规定。 利用贝克曼梁检测需要下面的器材： 3 第一章绪论 标准车：双轴，后轴双侧4 轮的载重车，其主要参数应该满足表1 1 的要求。测 试车通常采用后轴1 0 t 标准轴载b z z 1 0 0 的汽车。 贝克曼梁路面弯沉仪：由贝克曼梁、百分表及表架组成，其中贝克曼梁一般由合 金铝材料制成，上有水准泡，其接触路面的前臂与装百分表的后臂长度比是2 ：1 。贝 克曼弯沉仪长度一般有两种：一种长度为3 6 m ，前臂2 4 m 后臂1 2 m ；还有一种是长 度为5 4 m 的加长弯沉仪，前臂3 6 m 后臂1 8 m 。长度为5 4 m 的贝克曼梁弯沉仪一般 在半刚性基层沥青路面或水泥混凝土路面上测定中使用；在混合式结构或者柔性基层 沥青路中进行弯沉检测时采用长度为3 6 m 的贝克曼梁弯沉仪。检测过程中可以通过 百分表读取弯沉值，也可用自动记录仪器自动记录弯沉值。 在弯沉测试时，还需要接触式路表温度计：端部为平头，分度不大予1 。其它 辅助工具包括：皮尺、口哨、白油漆或粉笔、指挥旗等。 表1 1 弯沉测定用的标准车参数 后轴标准轴载p ( k n ) 1 0 0 士l 一侧双轮荷载( i d q 5 0 - 士- 0 5 轮胎充气压力( m a a ) 0 7 0 士0 0 5 单轮传压面当量圆直径( c m ) 2 1 3 0 士o 5 轮隙宽度必须满足可以自由插入弯沉仪测头的检测要求 图1 1 为贝克曼梁弯沉仪结构图。该仪器主要有前臂、后臂、调表螺杆、百分表、 百分表架、紧定螺钉、调节螺钉、支座、侧头、调平螺母、测头、螺钉等零件组成。 测头有各种长度。可根据测点高低调配。前臂装有测头和水准泡，后臂装有调表螺杆， 旋转它可以调整百分表的初读数。支座上装有水准器和三个调平螺母，转动调平螺母 可以调平弯沉仪，使纵横向保持水平。横向是否水平，可观察设在支座上的水准泡； 纵向是否水平可观察弯沉仪前臂上的水准泡。 图1 1 贝克曼粱弯沉仪结构图 4 长安大学硕士学位论文 1 ，2 为前臂和后臂；3 ，4 为调表螺杆和百分表；5 ，6 为调节螺钉和紧定螺钉；7 ， 8 为百分表架和支座；9 ，1 0 调平螺母和测头；1 1 为螺钉。 贝克曼梁弯沉仪工作原理：路基或路面在荷载作用下发生下沉时，弯沉仪的a 点 向下运动，b 点则向上运动，百分表的测杆在外力作用下也产生向上运动，表内指针 就产生旋转，当b 点读数为n ，杠杆比为2 时，a 点的弯沉值为2 n 。 中国规定使用的贝克曼梁长度为3 6 m 和5 4 m 这两种，测试梁的前臂与后臂的长度 比均为2 ：1 。贝克曼梁弯沉仪的特点是结构和操作都比较简单且技术要求低和价格很低 廉，检测得到的数据是静态弯沉。但是利用贝克曼梁弯沉仪进行测试时弯沉值的准确 程度受人为影响比较大，工作效率不高。鉴于其以上这些特点，贝克曼梁弯沉仪一般 应用于低等级公路的施工、日常养护和旧路评价的检测，有时也在高等级公路的施工 质量控制中使用。但在已建成通车运营的高等级公路中，贝克曼梁弯沉仪检测受到采 样效率低和交通安全等诸多方面的制约，使用中必须要封闭交通。图1 2 为英国3 6 米 贝克曼梁。图1 2 为国产5 4 米贝克曼梁，国内已很少使用3 6 米贝克曼梁。 图1 2 英目3 6 米贝克曼粱 图1 3 国产5 4 米贝克曼粟( 横向视图) 1 2 2 自动弯沉仪测试 自动弯沉仪属于行驶采样、静态弯沉类，其测试原理与贝克曼梁相同。自动弯沉 5 第一章绪论 仪改变了前后测臂的长度比例，采用位移传感器替换百分表进行自动测量。 自动弯沉仪分2 大类： ( 1 ) 从标准车的车轮后方插入测试梁，图1 4 ( a ) 给出了澳大利亚自动弯沉仪( 从 后方插入测试梁，测量结果为回弹弯沉) ，图1 4 ( b ) 给出了辽宁( 国产) 自动弯沉仪 ( 后方插入测试梁，测量结果为回弹弯沉) 。它们所j 检测的结果与贝克曼梁的回弹弯 沉基本相同。 ( 2 ) 测试梁从车轮前方插入如图1 5 所示，所检测的数据结果与回弹弯沉有一定 区别，为总弯沉。图1 5 ( a ) 给出了法国自动弯沉仪( 拉克鲁瓦型，测量总弯沉) ， 图1 5 ( b ) 给出了国产自动弯沉仪( 拉克鲁瓦型，测量总弯沉，北京公路研究所生产) 。 在公路路基路面现场测试规程( j t ge 6 0 - - - 2 0 0 8 ) 中，规定我国使用自动弯 沉仪进行弯沉检测时必须采用拉克鲁瓦型自动弯沉仪，其测试结果为总弯沉；同时对 其技术条件及操作规程也有相应的要求。 图1 4 ( a ) 澳大利亚自动弯沉仪( 测量回弹弯沉) 图1 4 ( b ) 辽宁( 国产) 自动弯沉仪( 测量回弹弯沉) 6 长安大学硕士学位论文 图1 5 ( a ) 法国自动弯沉仪( 拉克鲁瓦型，测量总弯沉) 图1 5 ( b ) 国产自动弯沉仪( 拉克鲁瓦型，测量总弯沉) ( 北京公路研究所生产) 自动弯沉仪包括测试车辆，测量机构和数据采集处理系统3 部分。测试车辆后轴荷 载、轮胎气压及当量圆直径均与贝克曼梁测试方法的要求相同，但车辆前后轴距较长， 测量臂长度一般在1 5 2 4 m 范围之间。车辆在测试时通常以大约3 5 k m h 的速度稳定行 驶。数据采集系统可以自动控制车辆下部测量机构的行走和测试过程。数据采集系统 通过位移、温度和距离等各种传感器连续自动采集单侧或双侧测点的静态弯沉峰值、 弯沉盆以及温度和距离等信号。 虽然自动弯沉仪与贝克曼梁相比具有和多优点，但根据调查资料从目前的多家用 户的实际使用情况来看，自动弯沉仪还存在自身的不足。自动弯沉仪检测结果普遍认 为是在弯沉盆中测试弯沉，其检测结果按照规定必须和贝克曼梁弯沉仪建立相关关系； 另外在使用中，自动弯沉仪测试结果受其它行驶车辆等外界因素影响。所以，有必要 改进，克服自动弯沉仪目前存在的不足，提高测试速度。 1 2 3 落锤弯沉仪测试 落锤弯沉仪( f w d ) 是一种目前应用较多的弯沉检测设备。针对落锤式弯沉仪而 言，弯沉是指与落锤重量对应的当量荷载使路表面产生的瞬时变形值。落锤弯沉仪的 基本原理是通过液压系统提升和释放荷载块对路面施加冲击荷载，落锤质量和起落高 7 第一章绪论 度共同控制荷载大小，通过相应的传感器来测定荷载时程和动态弯沉盆均1 1 2 1 。这类设 备属于固定采样、动态弯沉类。 法国于2 0 世纪6 0 年代首先提出冲击式动力弯沉仪的初步设想。7 0 年代后期丹麦 和瑞典成功研制出f w d 。8 0 年代以后，美、英、日等国家相继引进和仿制了这种弯 沉仪。研究表明，f w d 的冲击荷载与时速6 0 8 0 k m h 的车辆对路面的荷载相似，可 以较好地模拟行车荷载作用。因此自2 0 世纪8 0 年代初以来，f w d 在国际上得到日益 广泛的应用，至今已有5 0 多个国家和地区引进了f w d 。 落锤弯沉仪分为2 种类型： 1 、牵引式落锤弯沉仪 牵引式落锤弯沉仪一般由牵引车、荷载发生装置、弯沉检测装置等系统组成1 2 j 。 f w d 通过计算机系统控制液压系统启动落锤装置，使一定质量的落锤从一定高度自由 落下，冲击力作用于承载板上并传递到路面，从而对路面施加脉冲载荷，导致路面表 面产生瞬时形变，此时分布于距测点不同距离的传感器将结构层表面的变形转换成电 信号，然后采集系统将信号传输至p c 机，这样就可以检测出动态荷载作用下产生的动 态弯沉及弯沉盆。测试数据还可以反算路面结构层模量，进而对路面的承载能力进行 科学地评价【1 2 1 ，f w d 测试原理如图1 6 所示。 图1 6 为采用地震检波器检测弯沉盆的工作原理图 8 长安大学硕士学位论文 2 、内置式落锤弯沉仪，测试装置整体安装在车辆内部完成测试工作，见图1 7 。 、 图1 8 击振式弯沉仪( 四川从加拿大引进) 落锤弯沉仪应用中还遇到几点问题： ( 1 ) 由于国内尚未确定动态弯沉与回弹弯沉的相关关系，因此在质量验收或一般 性路面使用状况评价时，对被测路段必须与贝克曼梁作对比试验。 ( 2 ) 在落锤弯沉仪应用中落锤弯沉仪是停车单点测试，在开放交通的高速公路进 行工作时，其测试过程中存在安全问题。由于需要经常定点停车，测试过程必须保证 人员设备的安全。因此落锤弯沉仪虽然设备技术和测试指标非常先进，但在不封闭交 通高速行车的路段测试具有局限性。对此，解决方式之一是降低落锤弯沉仪的成本， 9 第一章绪论 使得用户可以在一个检测段上采用多台设备同时分段测试，减少封闭交通时间，提高 测试效率。 ( 3 ) 在落锤弯沉仪在使用中，其弯沉位移测量传感器，目前采用的是地震检波器。 不能检测低频或超低频的位移。因此，实际中落锤弯沉仪检测的弯沉值是一定频响范 围内的路面位移值，无法测量弯沉变化的全过程，无法了解路面变形中的弹性变形和 塑性变形。 ( 4 ) 落锤弯沉仪使用中用户无法自主对位移传感器进行标定和测试。 1 2 4 激光多普勒弯沉仪测试 目前进行弯沉检测的常见仪器设备主要是贝克曼梁弯沉仪，自动弯沉仪，落锤弯 沉仪。获得的弯沉指标是：贝克曼梁弯沉仪的回弹弯沉；自动弯沉仪的总弯沉( 或回 弹弯沉) ；落锤弯沉仪的动态弯沉。这些弯沉检测方法的共同不足之处是测试速度慢， 都存在测试过程对正常交通的干扰问题。如何提高弯沉的测试速度，实现在正常交通 情况下检测弯沉，已是世界各国重点研究的技术难题。 激光多普勒弯沉仪由荷兰、丹麦等国多家研究机构合作开发，但是还处于研究测 试阶段，属于行驶采样、动态弯沉类。它的测试原理是检测车在高速行驶过程中利用 激光多普勒原理来对地面在荷载作用下的垂直下沉速度进行测量，再通过分析程序计 算出最大弯沉及弯沉盆数据。 激光多普勒弯沉仪的基本组成如图1 9 所示。激光多普勒弯沉仪采用非接触检测方 式工作，能够给以高达8 0 k m h 的速度精确检测出地面弯沉。 图1 9 ( a ) 激光多普勒弯沉仪检测系统主要组成示意图 1 0 长安大学硕士学位论文 圈1 9 ( 1 1 ) 激光多普勒弯沉仪主要组成示意图 激光多普勒弯沉仪应该说是目前高速公路弯沉检测设备的最佳选择。从厂家的宣 传资料上可知，激光多普勒弯沉仪既可测量动态弯沉指标，又能以正常的行驶速度连 续检测，不影响现场的车流交通，适用于各种类型和不同等级要求的路面测试，其检 测的工作效率特别高，一台检测设备就可以满足相当大区域内的弯沉测试的需要。 从激光多普勒弯沉仪的宣传技术资料看到激光多普勒弯沉测试技术十分先进，应i 该说是目前世界上最先进的弯沉测试系统，但是目前激光多普勒弯沉仪在世界范围内 还没有推广应用，国内还无用户购买和引进，原因应该一是产品价格十分昂贵，另外 一个是该设备还有一些关键技术问题没有解决，技术由理论转向实际应用还需要进一 步实践。 1 2 5 贝克曼梁弯沉仪的重要性 综上所述，虽然贝克曼梁弯沉仪存在检测效率低等不足之处，但在公路路基路 面现场测试规程( j t ge 6 0 - - 2 0 0 8 ) 中规定，自动弯沉仪以及落锤式弯沉仪的测试 结果必须和贝克曼梁测试结果建立相关关系。这样的规定也反映出贝克曼梁弯沉仪的 重要性。路面弯沉快速检测方法之一是采用激光多普勒技术，目前国外也开发了样机 在进行测试，力求和现有的弯沉检测方法建立相关关系，虽然已经有了对激光勒弯沉 仪进行了和落锤式弯沉仪的相关关系研究，但是还未见到激光多普勒弯沉仪与贝克曼 梁弯沉仪的相关关系研究的资料【5 】。路面弯沉激光多普勒检测技术目前被认为是可以 实现高速检测的最有希望和发展前景的技术，但是其中需要研究问题还很多，需要多 个学科技术的集成和进一步深入研究。综合考虑贝克曼梁弯沉仪在中国公路检测中必 备性和基础性，如何提高贝克曼梁弯沉检测仪测量精度和检测速度，减少参与测量的 工作人员，实现数据记录自动化是研究开发的重点。 第一章绪论 1 3 课题来源及研究的主要内容 本文的课题是来源于“高等级路面激光检测技术及成套检测装备研究”这个项目， 该项目属于交通运输部西部交通建设科技项目。项目主要目的是研究开发高等级公路 先进快速的检测技术及成套装备，推广普及先进的激光路面检测技术和数字图像检测 技术，从整体上提高我国道路检测水平，避免一代接一代引进产品和对国外技术的依 赖，为我国交通行业创造良好的经济效益和社会效益。 目前，用于路面弯沉检测的方法最常用的主要有检测路面回弹弯沉的贝克曼梁弯 沉检测法、检测路面总弯沉的连续式路面弯沉检测法以及检测路面动态弯沉的落锤式 弯沉法，另外还有近年来正在研究开发的滚轮式弯沉仪检测法、激光多谱勒高速弯沉 仪检测等。不管是道路路面施工还是路面养护中，国内的道路检测部门在路面弯沉指 标的检测中还是离不开贝克曼梁弯沉仪，鉴于贝克曼梁弯沉仪测试的简便性、广泛性、 标准性，本研究在杠杆贝克曼梁弯沉仪的原理基础上，引入激光位移传感技术来克服 原有的不足，在提高检测精度、工作效率的同时实现数据采集和处理的自动化。本论 文主要是结合课题的实际需要，先对国内外己有的弯沉检测技术进行了深入的分析和 研究。通过研究激光三角位移法，激光成像法，激光准直法，激光多普勒法用于弯沉 检测的原理和可实施性，构思自己的设计原理，在学习和研究的基础上设计了准直激 光弯沉检测系统。为验证设计方案和分析理论，设计了准直激光贝克曼梁测试样机并 进行了样机试验，本论文的具体研究内容主要由下面几部分组成： 第一章绪论。概括叙述了论文的课题的研究背景、研究的目的和意义以及研究课 题来源。弯沉检测有多种不同的检测方法，文章对国内外现有的技术进行了一个全面 的分析，深入探讨了各种弯沉检测方法的优缺点，并概述了论文的主要研究内容。 第二章基于准直激光的路面回弹弯沉检测系统整体体设计。通过对常用的几种激 光测微位移的方法进行研究，提出了准直激光法检测原理，根据原理进行了总体结构 设计，并对设计中的系统采集难点技术进行了分析。 第三章弯沉检测系统的光电接收器研究。c c d 是光电采集系统的一个重要部分， 本章对c c d 的起源和工作原理、主要特性参数及其类别进行了分析，给出了弯沉检 测选择c c d 的原则和方法。 第四章弯沉检测采集系统的硬件设计。分别对电源模块，c c d 驱动电路模块， 信号的放大、滤波模块，c c d 信号的二值化模块和基于单片机的数据通信模块进行分 1 2 长安大学硕士学位论文 析介绍，然后对整体电路部分进行优化分析。 第五章弯沉检测采集系统的软件开发。本章主要工作是利用q u a r t u s1 1 6 0 开发软 件完成t c d l 5 0 1 d 的驱动程序的编写和对单片机主控单元进行了串口编程。 第六章实验与分析。在室内搭建了准直激光路面弯沉检测系统的模拟实验架，依 据准直激光弯沉检测原理，进行了回弹检测重复性对比实验。本章主要在基于准直激 光的路面回弹弯沉检测理论下对检测系统进行了实验验证，并且分析了实验结果，验 证了课题中所提出的理论和所设计的检测系统的正确性。 第七章总结与展望。对全文进行总结，指出课题中有待完善之处和现有研究工作 中的不足以及今后需要努力的方向。 1 3 第二章准直激光的路面回弹弯沉检测系统整体设计 第二章准直激光的路面回弹弯沉检测系统整体设计 2 1 激光位移技术理论分析 目前不管在道路施工中还是在道路养护中，国内几乎所有的道路检测部门还在广 泛使用贝克曼弯沉检测仪，路面弯沉指标的检测还离不开贝克曼梁弯沉仪。在公路路 基路面现场测试规程中规定所有其他弯沉检测仪器设备的检测结果必须与贝克曼梁弯 沉仪进行相关对比试验。鉴于贝克曼梁弯沉仪检测法的特殊地位以及广泛应用情况， 我们在贝克曼梁弯沉仪测试原理的基础上采用了激光位移传感技术，把激光技术应用 于路面弯沉检测。将激光技术用于路面位移检测的方法主要包括：激光三角位移法， 激光成像法，激光束准直法，激光多普勒法等。 2 1 1 激光三角位移法 根据激光三角测量方法，将激光光源、被测物体和c c d ( 电荷耦合器件) 三者配 置成一个三角形，使激光器产生的准直激光照射到被测物体表面上散射后的光通过成像 镜头成像到c c d 上，如图2 1 所示。 户嚣 ( 光电接收暑) 准直激光束 吣、 t 1 _ 考兰 一 l - 、 ，置b ，喂 被测袖体袁面c 蠢 - 、 f 图2 , 1 激光三角位移检测原理图 激光光源在地面的投影点为a ，若被测物体表面下降到b ，投影点就会产生变化， 然后通过焦心的光则在电荷耦合器件上呈现的反映就是像面上光点移动到b ，则像面上 的光点移动距离与被测物表面的高低变化值是一一对应的关系。a 、c 两点的距离是该 微位移测量的最大距离。 1 4 长安大学硕士学位论文 2 1 2 激光成像法 将点激光安装在被测物体的表面随物体移动，其必有一激光散射点( 设为b ) 发出的 光穿过光学系统的焦心在光电接收器上成像；当被测物体向上移动时，同理也必有一点 a 能够在光电接收器上成像，可以通过像面上的光点移动距离测出被测物体上下移动的 高低变化值【1 3 】。点激光光源、成像光学系统和光电接收器构成的一个光电检测系统就能 进行微位移检测。如图2 2 所示。 图2 2 光学成像位移检测原理图 奢 2 1 3 激光准直法 采用准直激光直接照射在安装物面上的光电接收器，当物体上下移动时光电接收 器随物体一起运动；不同位置的光电接收器接收光强度的不同，转换的电荷信号也随 着变化。通过测试光电信号的变化值来测出物体移动的变化值。该测量方法的精度取 决于平行光的准直度和c c d 像元的尺寸大小。如图2 3 所示。 图2 3 激光准直位移检测原理图 2 1 4 激光多普勒方法 将激光多普勒方法应用于路面位移和路面变形检测就是根据激光多普勒测速原 理，通过建立一个多普勒测弯沉系统来测量路面的微小弹性变化值。本文在第一章序 言中曾经对多普勒弯沉测试仪做过介绍，在这里就不做过多的叙述了。 1 5 第二章准直激光的路面回弹弯沉检测系统整体设计 2 1 5 光电贝克曼梁弯沉仪的工作原理 贝克曼梁弯沉仪是借助贝克曼梁前后臂的杠杆原理，通过百分表读数得到路表面 回弹值；检测路表面回弹弯沉值的过程是，首先测出路表面在荷载作用下的最大变形 值，然后再测出荷载轮慢慢移动到弯沉盆外后的同一路表面测点的变形值；两者的差 值即为被测路表面的回弹弯沉值。 我们要把激光位移传感技术和贝克曼梁弯沉仪的原理相结合起来利用光电传感技 术进行路面回弹弯沉检测，通过上面的原理图分析，激光三角微位移法显然不能基于 贝克曼梁的弯沉检测；激光多普勒方法用于弯沉检测不仅系统硬件采集复杂，研究耗 费特别大，还需要加速度计，光纤陀螺等一些其他设备来辅助。因此在研究过程中我 们着重对激光成像法和准直激光法进行了比较分析。通过分析发现：激光成像法采用 的是点光源，光源结构简单；对贝克曼梁的刚度要求低；精度可以根据需要通过改变 光学系统的倍率调节，但是光学成像系统较为复杂。准直激光法采用的是准直激光， 激光准直容易实现；光电接收结构简单；基本不受梁的左右偏移的影响；同时它也有 它的不足之处就是精度原则上是一个像元即检测精度受到像元尺寸影响，测量范围受 到光电结合搜器尺寸限制。 在路面弯沉检测中要求激光位移传感器的检测分辨率小于o o l m m ，我们采用准直 激光法完全可以满足要求而且成本花费相对低，工业设计和系统设计方便，易于实现， 具体设计如图2 4 ，2 5 。 么 3 o o - - 节幔唧。叉啊矾、帕i 啊飘7 晕 心 啪例劓 e ：r ：i 皿：i p 、萋 、1 1、霪翌心丝 叭怖川磅 。 图2 4 路表面在荷载作用下的回弹变形 1 6 长安大学硕士学位论文 光 路 图2 5 基于准直激光的路面回弹弯沉检测原理 2 2 路面回弹弯沉光电检测系统总体设计 本文设计的基于准直激光的路面回弹弯沉检测系统主要由准直线激光器、c c d 及 其驱动模块、c c d 信号处理模块、上位机通信模块和p c 机软件分析与处理这四大模块 组成，如图2 6 所示。 图2 6 回弹弯沉光电系统总体设计 在单片机地控制下，f p g a 生成c c d 的驱动时序，c c d 检测并采集线激光器发过 来的的光信号，完成光电转换及电信号转移；为了适应c c d 的高速输出，将转移后的 信号送入到1 1 公司生产的高速运放a d 8 0 3 2 中将信号放大；此时将放大的信号通过低 通滤波后送入l m 2 3 9 比较器二值化存入到f p g a 中；再通过r s 2 3 2 接口与计算机交换 信息，通过上位机处理采集到的数据。 该设计方案存在以下几方面的优点： ( 1 ) 模块化设计，便于系统设计和方便系统的调试，同时还可以通过更新模块历 来方便实现系统的升级和系统功能的扩展，不需要再次开发，使得设计通用性更强、 灵活度更高。在软件设计时也使用模块化的方法，不同的应用调用相应的模块程序即 可。 ( 2 ) 使用f g p a 通过采用软件化设计语言v h d l 来实现c c d 的驱动和时序控制， 能够根据实际设计的需要对逻辑电路进行很好的修改和调整达到理想的效果，同时还 1 7 第二章准直激光的路面回弹弯沉检测系统整体设计 能够在不更改已经设计好的电路下扩展新功能，这样大大增加了电路的灵活性。 ( 3 ) 使用单片机作为控制系统，充分利用其成熟技术、高性能和对外设的良好的 控制能力，为系统进行数据采集和传输提供了很大的便利。 ( 4 ) 采用了通用的串口通信作为数据传输方式，在进行数据传输时，传输接口通 用、高速、数据处理灵活、开发时间短和成本低。 ( 5 ) 低成本、小型化，使得系统设计能够更好地应用于弯沉检测，体现系统的各 种优点。因此，对控制模块、通信接口模块、数据采集模块和电源模块等都提出了严 格的要求，既能满足系统的需要，又能最大限度的降低成本。 2 3 弯沉检测系统难点分析 2 3 1 线阵c c d 的驱动问题分析 在应用c c d 时，c c d 驱动时序的产生和c c d 输出信号的采集处理是要解决的两 个主要问题。该系统采用的是t c d l 5 0 1 d 作为光电接收器，其驱动信号较为多样和复 杂，要使c c d 能够正常很稳定的工作，我们必须严格按照其驱动时序要求给予合适的 驱动信号时序和合适的驱动电压，因此c c d 的驱动时序的产生设计是驱动电路的一个 关键设计。 2 3 2 采集系统的前端信号处理分析 为了满足实现系统采集弯沉信号的高质量、高精度的设计要求，系统的信号处理 也必须采用高速度、高精度的芯片和处理电路。光电转换后的电信号是个十分微弱的 电压信号，我们必须对其进行合理的放大，滤波、除杂，然后把信号通过采样存入存 储设备中。因此转换后的光电信号进行处理是c c d 驱动后的又一个本文的研究的重 点。 2 3 3 主控电路与缓存电路分析 检测系统如果采用普通5 1 单片机作为主控单元不利于数据的传输和系统的扩展， 我们采用性能更高的a v r 单片机作为控制中心。二值化后的光电信号在写入到f p g a 中，两者之间信号传输速度应当相匹配。我们可以通过设计合理的数据缓存单元解决 这个问题。 2 3 4 数据传输分析 弯沉检测采集系统在和p c 机进行数据通信时，在保证正常通信的同时，传输的接 长安大学硕士学位论文 口的实现不能过于复杂要通用。本课题选用的是计算机和嵌入式系统常见的串口通信 接口r s 2 3 2 。在设计合理的传输接口电路的同时还必须完成通信的控制应用程序设 计，只有硬件和软件正确合理的设计，才能保证数据在传输过程中保持稳定可靠。 2 4 本章小结 基于准直激光的路面回弹弯沉检测方法是本课题研究的一个创新点，根据杠杆贝 克曼梁的原理充分利用激光技术优越性和电子通信技术成熟性来实现回弹弯沉检测。 基于光电检测技术的贝克曼梁弯沉仪结构尺寸总长度缩短很多，在使用时节省了人力 物力且检测精度高、检测时自动快速。本章在分析激光位移检测原理的基础上，对几 种方法进行了分析，首次提出了基于准直激光的回弹弯沉检测法。根据提出的检测方 法对弯沉光电检测系统进行了整体设计，并针对整体设计中难点进行了分析。 1 9 第三章弯沉检测系统的光电接收器研究 第三章弯沉检测系统的光电接收器研究 采用激光技术进行弯沉检测，光电转换器件是整个采集系统的一个核心，本文根据 实际需求选择的是线阵c c d t c d l 5 0 1 d 。电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ，简称 c c d ) 是一种能够将光信号转换电信号的图像传感器。c c d 是1 9 6 9 年秋由美国贝尔( b e l l ) 实验室的维拉博伊尔( w s b o y l e ) 和( g e s m i t h ) 发明的。c c d 是一种将光辐射能转 换成电讯号的接收器件，是光电系统的核心组成部分，在光电系统的中的作用是发现信 号、测量信号，并为随后的应用提取某些必要的信息【1 3 】。当待测物体入射到c c d 的表 面上，根据光的强信息分布不同转换成相应电荷量信号。c c d 信号输出是按照指定时 序进行一路或多路串行电荷信号输出，然后电荷量信号经合理的信号处理电路和软件处 理就能够表征原待测物的信息，这样就实现了非电量的电测量。2 0 0 9 年，科学家维拉 博伊尔与乔治史密斯由于他们的杰出贡献，被授予诺贝尔物理奖。c c d 同时还具有体 积很小、重量轻、噪声低、测量精度高、工作速度快、寿命长等优点，受到了高度重视， 被广泛应用于许多场合。c c d 现在已经成为光电图像转换的主要器件之一。 3 1c c d 工作原理 大多数的传感器都是以电流或者电压为信号载体，而c c d 是以电荷为信号载体。 c c d 的基本的工作原理就通过c c d 硅片将光转换为电荷且实现电荷的存储和转移。 c c d 的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测。入射光射到c c d 的 光敏单元上，先进行光电转换产生相对应的电荷信号，然后又转换为与之成正比的电压 信号，在转移脉